فرادرسیخ خشک چیست؟ — به زبان ساده
یخ خشک به عنوان نوع جامد دی‌اکسید کربن شناخته می‌شود. از یخ خشک به طور عمده به عنوان عامل خنک‌کننده بهره می‌گیرند. از نقاط قوت آن، دمای پایین‌تر نسبت به یخ (آب) ذکر شده است و علاوه بر این، هیچ اثری هم از خود به جای نمی‌گذارد. همچنین، زمانی که امکان بهره‌گیری از یخچال برای غذاهای منجمد وجود ندارد، از یخ خشک استفاده می‌کنند. این ماده در دمای $$-78.5$$ درجه سانتی‌گراد و فشار اتمسفری، تصعید می‌شود و به دلیل سرمای زیادی که ایجاد می‌کند، حمل و نقل آن باید با احتیاط صورت بگیرد زیرا ماده‌ای بسیار خطرناک است و موجب سوختگی بر اثر انجماد خواهد شد. با وجود این‌که این ماده سمی نیست، گاز متصاعد شده از آن خاصه در محیط‌های سربسته می‌تواند به طور شدیدی غلظت دی‌اکسید کربن در خون را افزایش دهد.
خواص فیزیکی و شیمیایی یخ خشک
همانطور که گفته شد، یخ خشک شکل جامدی از مولکول دی‌اکسید کربن است که در آن، یک اتم کربن با دو اتم اکسیژن پیوند دارد. یخ خشک ماده‌ای بی‌رنگ، غیراشتعال‌پذیر با بویی ترش است که در اثر انحلال در آب، با تشکیل کربنیک اسید می‌تواند pH محلول را کاهش دهد. چگالی این ماده متغیر است اما به طور معمول مقدار آن بین $$1.4 - 1.6 g / cm^ 3$$ ذکر می‌شود.
دمای پایین و قابلیت تصعید، آن را به یک ماده خنک‌کننده مناسب تبدیل کرده که آنتالپی تصعید در آن، برابر با $$25.2 k J / m o l$$ ذکر شده است. یخ خشک ماده‌ای ناقطبی به شمار می‌آید که گشتاور دوقطبی ندارد در نتیجه، نیروهای جاذبه بین مولکولی واندروالس، به عنوان نیروی حاکم در نظر گرفته می‌شود. هدایت الکتریکی و حرارتی در یخ خشک نیز بسیار پایین است.
تاریخچه یخ خشک
این ماده برای اولین بار توسط مخترع فرانسوی، «آدرین ژان پیر تیلوریه» (Adrien-Jean-Pierre Thilorier) مشاهده شد. در آزمایشات او نوشته شده بود زمانی که سیلندر بزرگی حاوی دی‌اکسید کربن را باز کنیم، بیشتر کربن دی‌اکسید موجود به سرعت تبخیر می‌شود و تنها مقداری یخ خشک در سیلندر باقی خواهد ماند. در سال 1924، «توماس اسلیت» (Thomas Slate) گواهی اختراع برای این ماده تهیه کرد تا بتواند آن‌را به طور تجاری به فروش برساند. در حقیقت، او اولین شخصی بود که این ماده را به صنعت وارد کرد.
تولید یخ خشک
تولید یخ خشک بسیار ساده است. در ابتدا گازهایی با غلظت زیاد از دی‌اکسید کربن به تولید می‌رسند. این گازها ممکن است محصولات فرعی فرآیندهای دیگری باشند که از آن‌جمله می‌توان به فرآیند تولید آمونیاک از نیتروژن و گاز طبیعی یا پالایش نفت خام و فرآیندهای تخمیری اشاره کرد. در ادامه، این گازهای غنی از دی‌اکسید کربن، تحت فشار و سرما قرار می‌گیرند و به مایع تبدیل می‌شوند. در مرحله بعد، این فشار کاهش پیدا می‌کند. در اثر این واقعه، مقادیری از دی‌اکسید کربن بخار خواهد شد که این امر، کاهش سریع دمای مایع باقی‌مانده را به همراه دارد. در نتیجه این اقدامات و سرمای شدید، مایع به بافتی پیوسته و برف‌مانند تبدیل خواهد شد. در نهایت، این بافت فشرده می‌شود تا به صورت قرص یا بلوک‌های بزرگ از این ماده تبدیل شود.
کاربردهای یخ خشک
معمول‌ترین استفاده از یخ خشک، در نگهداری از مواد غذایی است. از این ماده در بسته‌بندی و حمل و نقل محصولاتی همچون بستنی یا نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌شود که باید منجمد و یخ‌زده باقی بمانند. این ماده می‌تواند به سرعت، نمونه‌های بیولوژیکی یا غذا‌ها را منجمد کند. همچنین برای جلوگیری از آب شدن مجسمه‌های یخی و منجمد کردن قطرات نفتی از این ماده بهره می‌گیرند. همچنین، برای جلوگیری فعالیت حشرات در انبارها و محفظه‌های غلات و حبوبات از این ماده استفاده می‌کنند زیرا جایگزین اکسیژن فضا خواهد شد اما تغییری در طعم یا کیفیت محصول روی نمی‌دهد.
زمانی که یخ خشک بر روی آب قرار بگیرد، تصعید سرعت می‌گیرد و بخارهایی همچون مه در بالای آب ایجاد خواهند شد. از این خاصیت در دستگاه‌های تولید بخار مصنوعی بویژه در سالن‌های نمایش و کنسرت‌ها استفاده می‌شود. مه ایجاد شده در اثر این فرآیند بر سطح زمین حرکت می‌کند. این ماده در تاسیسات نیز کاربرد دارد به گونه‌ای که برخی از لوله‌کش‌ها با ایجاد یخ خشک در مسیر جریان، آن‌را مسدود می‌کنند و به این ترتیب، برای عملیات تعمیر، نیازی به بستن فلکه اصلی آب ندارند. این روش برای لوله‌هایی تا اندازه ۴ اینچ (10 سانتی‌متر) قابل بکارگیری است. در به دام انداختن حشرات نیز از این ماده بهره می‌گیرند چراکه برخی از حشرات جذب دی‌اکسید کربن می‌شوند.
با توجه به ایجاد دمای پایین و حذف اکسیژن، این ماده در خاموش کردن آتش نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. سرمایی که یخ خشک ایجاد می‌کند باعث می‌شود تا مواد ویسکوالاستیک در مواجهه با آن، حالتی شیشه‌ای به خود بگیرند. به همین سبب، برای از بین بردن چسب یا آثار آن نیز، یخ خشک ماده‌ای کاربردی به شمار می‌آید.
کاربرد یخ خشک در صنعت
از یخ خشک بمنظور جداسازی سنگ‌فرش خیابان‌ها و همچنین بستن مسیر خطوط لوله استفاده می‌شود. یکی از بیشترین مصارف یخ خشک در پاکسازی صنعتی است به این صورت که گلوله‌های یخ خشک از طریق یک نازل به همراه هوای فشرده، با سرعت زیاد به روی سطوح پاشیده می‌شوند تا مواد باقی‌مانده را از تجهیزات صنعتی پاک کنند. از جمله این مواد باقی‌مانده می‌توان به رنگ، چسب و مواد لاستیکی اشاره کرد. از این روش همچنین برای پاکسازی دوده بعد از آتش‌سوزی بهره می‌گیرند.
از یخ خشک همچنین برای تخلیه گازهای اشتعال‌پذیر از مخازن استفاده می‌شود. زمانی که قرص‌های یخ خشک به داخل این مخازن انداخته شوند، به هنگام خروج گاز دی‌اکسید کربن، این گازهای اشتعال پذیر نیز از مخزن خارج خواهند شد. علاوه بر این، برای چفت کردن آستری سلیندر در موتور خودروها از یخ خشک بهره می‌گیرند که به کمک آن، آستری منقبض می‌شود تا به خوبی در موتور جای گیرد. زمانی که آستری سیلندر گرم شود، در اثر انبساط، به خوبی در جای خود محکم می‌شود. این روش در مونتاژ برخی قطعات مکانیکی، جایگزین پیچ و پین و ... است.
آزمایشگاه
در آزمایشگاه، دوغابی از یخ خشک در یک حلال آلی، به عنوان مخلوطی سردکننده برای کاهش دمای واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین به عنوان حلال خنک کننده در «تبخیر کننده‌های دوار» (Rotary Evaporators) بکار گرفته می‌شود.
بمب یخ خشک
یک بمب یخ خشک، دستگاهی بالون مانند است که از یخ خشک در یک محفظه عایق استفاده می‌کند. در این نوع از دستگاه‌ها از آب برای تسریع فرآیند تصعید یخ خشک استفاده می‌شود که در اثر آن، فشار افزایش پیدا می‌کند و صدای بلندی تولید خواهد شد.
موارد ایمنی استفاده از یخ خشک
اگر پوست، مدت زمان زیادی در معرض این ماده قرار بگیرد، دچار یخ‌زدگی خواهد شد و بخارات آن نیز این مشکلات را تشدید می‌کنند. از آن‌جایی که این ماده، مقادیر زیادی گاز دی‌اکسید کربن تولید می‌کند، استفاده از آن باید در فضای باز و با تهویه مناسب انجام بگیرد چراکه این دی‌اکسید کربن تولیدی سبب افزایش غلظت آن در خون خواهد شد. یخ خشک صنعتی حاوی مواد آلوده‌کننده‌ای است که مانع از بهره‌گیری آن در صنایع غذایی می‌شود.
باوجود این‌که یخ خشک به عنوان یک ماده خطرناک طبقه‌بندی نمی‌شود، اما در حمل و نقل هوایی یا از طریق راه‌های آبی، به عنوان یک ماده خطرناک با دستورالعمل‌های مربوطه در نظر گرفته و برچسبی همچون تصویر زیر بر روی محموله‌های آن چسبانده می‌شود. علاوه بر این، به هنگام حمل و نقل این ماده، شرایط تهویه باید به شکلی باشند که افزایش فشار موجب تخریب بسته‌بندی آن‌ها نشود. به طور معمول، در پروازها نیز هر مسافر اجازه حمل 2/5 کیلوگرم از این ماده را دارد.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
- مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
- آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی
- استوکیومتری گازها — به زبان ساده
- تغییر فیزیکی — به زبان ساده
- جدول تناوبی — از صفر تا صد
^^
